CN113161442A - 一种硅肖特基结线阵列近红外光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅肖特基结线阵列近红外光电探测器，是以单晶硅为衬底，在单晶硅上表面刻蚀有六边形硅微孔阵列、下表面填充有二维MXene材料。本发明所制备的探测器实现了窄带近红外响应，具有响应速度快，稳定性好，探测率高等优势，同时还具有易制备、兼容性强、高集成度等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种硅肖特基结线阵列近红外光电探测器，属于半导体光电器件技术领域。
背景技术
光电探测器能够将采集到的光学信号转化为电学信号进行数据处理分析，在日常生活中的应用非常广泛，如可用于环境监测、医学成像、光通信、安检及生命科学等领域。窄带响应高灵敏度的近红外光电探测器在光谱学、临床医学、成像、化学元素分析等领域具有巨大的应用价值。
当前，窄带光探测器的实现方法大多是在宽光谱光电探测器的基础上引入滤光结构，通过层层滤光片滤去不需要的光，从而实现窄带探测。该方法需要高成本的滤波器、复杂的光学系统集成和设计，并且增大了器件的尺寸，使器件在应用方面受限。近年来，越来越多的研究从材料和器件结构的角度入手设计出高性能的窄带光探测器。例如基于钙钛矿/聚合物杂化的光电探测器[Lan ue,Cai Linfeng,Luo Dan,Zhu Furong.NarrowbandNear-Infrared Perovskite/Polymer Hybrid Photodetectors.[J].ACS appliedmaterials&interfaces,2020.10.1021/ACSAMI.0C16047.]。但这些探测器材料本身不够稳定，钙钛矿材料极其容易被氧化，且与传统硅工艺不兼容。针对红外波段的窄带探测器仍是目前市场的缺失，研发一种廉价、结构简单、无公害、易集成的高效窄带近红外光探测器有着重要的意义。
尽管过去几十年里研究过很多半导体材料，但硅凭借优异的载流子迁移率和抗氧化性，仍然是应用最广泛的材料。硅基近红外光电探测器由于具有和互补金属氧化物半导体技术良好的兼容性，也一直以来受到广泛的关注和研究。肖特基结型器件具有结构简单、响应速度快、寄生电容小等优良特性，是制备光电探测器的优异选择。与薄膜和块状光电探测器件相比，半导体纳米结构器件响应度高、功耗低、响应速度快，并且反射率低、比表面积大，使其光收集效率高，同时载流子输运时间短。Mxene材料因其独特的晶体结构和丰富的元素组成而具备很多优异的性能，其优异的导电性、高透光率十分适合光电领域的研究。因此探索基于MXene/Si肖特基结的窄带近红外探测器阵列，具有重要意义。
发明内容
基于上述现有技术所存在的问题，本发明提供一种硅肖特基结线阵列近红外光电探测器，旨在获得抗环境光干扰强、响应速度快的近红外窄带响应光电探测器。
本发明为解决技术问题，采用如下技术方案：
本发明公开的一种硅肖特基结线阵列近红外光电探测器，其特点在于：
所述近红外光电探测器是以上下表面皆设置有绝缘层的单晶硅为衬底；
在位于上表面的绝缘层上通过刻蚀掉绝缘层裸露出硅，形成呈线形排列的若干上表面硅窗口，构成上表面硅窗口阵列；在各个上表面硅窗口内皆通过刻蚀形成横截面呈六边形的硅微孔，从而在单晶硅上形成六边形硅微孔阵列，硅微孔的尺寸小于上表面硅窗口的尺寸；在各个上表面硅窗口上设置有与单晶硅呈欧姆接触的顶电极；
在位于下表面的绝缘层上通过刻蚀掉绝缘层裸露出硅，形成呈线形排列的若干下表面硅窗口，构成下表面硅窗口阵列；在各个下表面硅窗口内皆填充有二维MXene材料，二维MXene材料与单晶硅形成肖特基结；在所述二维MXene材料下设置有与二维MXene材料呈肖特基接触的底电极；下表面硅窗口与六边形硅微孔的横截面形状与尺寸相同且沿衬底的厚度方向一一对应，每一组皆构成一个红外光电探测器。
进一步地，所述单晶硅的厚度为100-500μm，所述绝缘层为10nm-100nm厚的SiO2层或Al2O3层。
进一步地，所述硅微孔横截面六边形的对角线长10-150μm，所述硅微孔的孔深为5-20μm，周期(即相邻硅微孔的间距)为10-300μm。
进一步地，所述顶电极和所述底电极为10nm-60nm厚的Au电极。
进一步地，所述二维MXene材料为Ti3N2或Ti3AlC2。
与已有技术相比较，本发明的有益效果体现在：
1、本发明所制备的光电探测器具有自驱动、近红外窄带响应、响应速度快等优势，同时具有兼容性强、稳定性高、易制备等优点，将在研发低成本、高速、稳定、高集成度的探测器中具有广阔的应用前景。
2、本发明设置六边形线阵列硅微孔，形成陷光效应，六边形结构能够使入射光多次反射，增加了光在基底内部的路径，当入射光角度大于60°，六边形硅微孔可以提供更强的光吸收。
附图说明
图1为本发明硅肖特基结线阵列近红外探测器的顶部结构示意图；
图2为本发明硅肖特基结线阵列近红外探测器的底部结构示意图；
图3为本发明硅肖特基结线阵列近红外探测器的俯视图；
图4为沿图3中A-A处的剖视图；
图5为实施例1所制备的光电探测器的归一化光谱响应曲线；
图6为实施例1所制备的光电探测器的归一化时间响应曲线；
图中标号：1为顶电极；2为绝缘层；3为单晶硅；4为硅微孔；5为二维MXene材料；6为底电极。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1～图4所示，本实施例的硅肖特基结线阵列近红外光电探测器，是以上下表面皆设置有绝缘层2的单晶硅3为衬底；在位于上表面的绝缘层2上通过刻蚀掉绝缘层裸露出硅，形成呈线形排列的若干上表面硅窗口，构成上表面硅窗口阵列；在各个上表面硅窗口内皆通过刻蚀形成横截面呈六边形的硅微孔4，从而在单晶硅3上形成六边形硅微孔阵列，硅微孔的尺寸小于上表面硅窗口的尺寸；在各个上表面硅窗口上还设置有与单晶硅呈欧姆接触的顶电极1。
在位于下表面的绝缘层2上通过刻蚀掉绝缘层裸露出硅，形成呈线形排列的若干下表面硅窗口，构成下表面硅窗口阵列；在各个下表面硅窗口内皆填充有二维MXene材料5，二维MXene材料与单晶硅形成肖特基结；在二维MXene材料5下设置有与二维MXene材料呈肖特基接触的底电极6。
下表面硅窗口与六边形硅微孔的横截面形状与尺寸相同且沿衬底的厚度方向一一对应，每一组皆构成一个红外光电探测器。
具体地，本实施例中：所用单晶硅衬底3的厚度为500μm；上、下绝缘层2皆为10nm厚的SiO2绝缘层；硅微孔横截面六边形的对角线长50μm、硅微孔深度为20μm、周期为150μm；顶电极1和底电极6皆为约60nm厚的Au电极。
本实施例硅肖特基结线阵列近红外光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
a、通过掩模刻蚀单晶硅上表面的SiO2层裸露出单晶硅，形成呈线形排列的若干上表面硅窗口，构成上表面硅窗口阵列，硅窗口的尺寸大于需要刻蚀硅微孔的尺寸。
通过掩模刻蚀单晶硅下表面的SiO2层裸露出单晶硅，形成呈线形排列的若干下表面硅窗口，构成下表面硅窗口阵列，下表面硅窗口与需刻蚀的六边形硅微孔的横截面形状与尺寸相同且沿衬底的厚度方向一一对应。
b、将清洗干净的衬底置于匀胶台转盘上吸紧，使用胶头滴管在硅片上表面中央均匀滴上两滴光刻胶，开启匀胶台转盘，先以500rpm低速旋转10s，再以3000rpm高速旋转20s，待匀胶完毕将硅片置于干燥台上烘干5min，然后再重复一次上述的滴光刻胶、匀胶、烘干步骤。
将二次匀胶烘干后的硅片置于曝光机的工作台中间位置吸紧，与掩模版对准，打开氙气光源，并曝光100s。曝光结束后将硅片放入显影液浸泡5分钟。
将显影完的硅片放入真空仓中，关闭仓门进行抽真空操作，启动机械泵进行预抽，同时打开分子泵并达到稳定转速27000rpm，等真空计示数降到3.5Pa以下关闭预抽阀，对刻蚀室抽高真空。为了保证真空反应环境，真空仓压强达到5×10-3Pa即可。通入SF6作为刻蚀气体，待气体流量计到达40sccm时打开功率电源1和2，功率电源幅值分别设定为300W和80W，通过控制通电时间(～30min)调控刻蚀微孔的深度。刻蚀完毕使用正胶去膜剂将硅表面的光刻胶去除，即完成了六边形硅微孔阵列的制备。
c、利用磁控溅射仪JGP-560轰击MXene靶材，在单晶硅下表面硅窗口内形成二维MXene材料(Ti3AlC2)。
d、在各个上表面硅窗口上蒸镀约60nm厚的Au电极作为顶电极，在二维MXene材料5下蒸镀约60nm厚的Au电极作为底电极，即完成硅肖特基结线阵列近红外探测器的制备。
图5为本实施例所制备光电探测器的归一化光谱响应曲线，可以看出器件对850-1100nm近红外光具有明显的光响应，而对可见光基本没明显的光响应，表明制备的器件具有可见光盲窄带近红外光响应特性。
图6为本实施例所制备的光探测器的时间响应曲线，可以看出器件在1kHz近红外脉冲光照下具有稳定的响应，上升时间/下降时间达0.128ms/0.3385ms，具有非常高的响应速度。
综合来看，本实施例制备的光探测器具有明显的窄带近红外光响应、高响应速度、稳定性好等优异特性。
实施例2
本实施例硅肖特基结线阵列近红外光电探测器的器件结构及制备方法与实施例1相同，区别仅在于：所用单晶硅衬底3的厚度为300μm；上、下绝缘层2皆为10nm厚的SiO2绝缘层；硅微孔横截面六边形的对角线长100μm、硅微孔深度为15μm、周期为300μm；顶电极1和底电极6皆为约60nm厚的Au电极。
本实施例所制备的器件性能参数与实施例1所列器件参数非常接近，响应范围约为800nm～1200nm，在1000nm处存在一较强的吸收峰，而对可见光基本没明显的光响应，响应速度与实施例1在同一数量级。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种硅肖特基结线阵列近红外光电探测器，其特征在于：所述近红外光电探测器是以上下表面皆设置有绝缘层(2)的单晶硅(3)为衬底；
在位于上表面的绝缘层(2)上通过刻蚀掉绝缘层裸露出硅，形成呈线形排列的若干上表面硅窗口，构成上表面硅窗口阵列；在各个上表面硅窗口内皆通过刻蚀形成横截面呈六边形的硅微孔(4)，从而在单晶硅(3)上形成六边形硅微孔阵列，硅微孔的尺寸小于上表面硅窗口的尺寸；在各个上表面硅窗口上还设置有与单晶硅呈欧姆接触的顶电极(1)；
在位于下表面的绝缘层(2)上通过刻蚀掉绝缘层裸露出硅，形成呈线形排列的若干下表面硅窗口，构成下表面硅窗口阵列；在各个下表面硅窗口内皆填充有二维MXene材料(5)，二维MXene材料与单晶硅形成肖特基结；在所述二维MXene材料(5)下设置有与二维MXene材料呈肖特基接触的底电极(6)；
下表面硅窗口与六边形硅微孔的横截面形状与尺寸相同且沿衬底的厚度方向一一对应，每一组皆构成一个红外光电探测器。
2.根据权利要求1所述的硅肖特基结线阵列近红外光电探测器，其特征在于：所述单晶硅(3)的厚度为100μm-500μm，所述绝缘层为10nm-100nm厚的SiO2层或Al2O3层。
3.根据权利要求1所述的硅肖特基结线阵列近红外光电探测器，其特征在于：所述硅微孔(4)横截面六边形的对角线长10-150μm，所述硅微孔(4)的孔深为5-20μm，相邻硅微孔的间距为10-300μm。
4.根据权利要求1所述的硅肖特基结线阵列近红外光电探测器，其特征在于：所述顶电极(1)和所述底电极(6)为10nm-60nm厚的Au电极。
5.根据权利要求1所述的硅肖特基结线阵列近红外光电探测器，其特征在于：所述二维MXene材料为Ti3N2或Ti3AlC2。
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